继电保护装置跳闸出口校验新方法研究

习思敏，刘顺强，朱德强

（广东电网有限责任公司清远供电局，广东清远 511515）

1 研究背景

电力系统中继电保护种类繁多，逻辑复杂，不同元件的保护原理其保护范围又有交叉重复的情况，例如母差保护保护范围包括连接于母线上的所有设备如线路、主变等。在新设备验收投运、旧设备年度定检工作时，如何校验各个保护逻辑的正确性是继电保护二次专业工作的重要部分。以220 kV变电站主变压器保护装置为例，其保护分高压侧、中压侧、低压侧三部分，除了主保护差动保护外，每侧的保护逻辑又包括接地距离、零序方向、相间阻抗、零序过流等多种类型的后备保护，其中每个保护逻辑可分为I、II、III共3段，每段又可分为3个时限。针对每个保护逻辑动作跳的开关不同，如果将各种保护一列作为纵坐标，出口继电器一列作为横坐标，每种保护与各出口继电器相交的那个点置“1”，说明此种保护逻辑动作后启动该出口，这样就形成了跳闸矩阵，如图1所示。

图1 主变保护装置跳闸矩阵示意图

图2 220 kV堤岸变电站主变压器保护压板

图2 为清远地区220 kV堤岸变电站主变压器保护压板概况，图中深色压板都是跳闸出口压板，共有15个。为验证保护装置保护动作的正确性，模拟故障时保护装置的跳闸出口逻辑须与保护定值中的跳闸矩阵一致。传统的保护逻辑出口压板的校验方法有两种。一是采用万用表DC档逐一测量跳闸出口压板的电位。由于保护装置跳闸脉冲是毫秒（ms）级的瞬时电压脉冲，为100 ms左右，而万用表表计的灵敏度达不到这么高要求，实际测量时显示结果不直观，特别是当继保人员觉得显示结果不明确的时候还需要重复做试验以确保保护动作正确。另外一个方法就是采用目前常用的继保试验仪，将保护装置的开出节点接入到试验仪的开入节点。由于继保试验仪的开入只有4对输入端口，而且只能接入无源节点，这涉及到保护屏端子排的拆接线，存在误跳运行设备的风险，因此此种方法较少采用。目前的实际工作中一般采用用万用表测量的方法，对于两套主变保护装置，其跳闸逻辑将超过数十种，以每种保护逻辑平均关联8个压板计算，完整检验完保护跳闸矩阵将需要不少的时间，考虑到主变压器的定检一般安排4～5人，仅校验保护装置的跳闸矩阵就需要至少2人配合试验，势必占用较大人力物力，本文提出一种专用的保护装置跳闸出口测试仪，以对上述工作进行改进。

2 测试仪的设计原理

为了使测试仪更具有通用性，能适用于不同变电站内直流控制电源的要求，同时提高试验效率，做到模拟一次故障就校验一个保护逻辑的多个压板，提出以下几点设计要求：（1）脉冲电压检测能力达毫秒级，检测范围50～120V；（2）检测输入端口8个以上，以满足校验多个压板的要求；（3）能对保护装置的动作出口时间进行计时；（4）测试仪接入保护装置的控制电源时不能导致站内直流电源系统接地。为达到以上要求，采用了以下设计方法[1-2]：（1）测试仪核心为STC12C5616AD单片机，其速度是普通的51单片机的12倍，使用24MHz的晶振时，扫描周期为100微秒，满足脉冲电压检测精度要求；（2）考虑到多数变电站内保护装置的跳闸出口压板数一般不超过8个，本文设计了8通道输入检测端口，可以满足绝大多数保护装置的检验要求；（3）设计了脉冲计时电路，采用12864液晶板显示时间，可以较为清晰的显示8个通道的计时时间；（4）提高输入有效电压，设置一个20 V的门槛电压，从硬件上滤除干扰电压的影响，并保证电路最小输入电阻大于500千欧，保证极端条件下不会造成变电站内直流电源系统接地。总体设计模型如图3所示，其工作原理为：计时启动输入端接入ONLLY继保试验仪的开出端[3]，当ONLLY试验仪开始故障模拟时，其输出的一对开出接点启动测试仪，当某一跳闸脉冲输入端检测到跳闸出口压板有正电压脉冲到来时，计时程序记录下该输入端的脉冲到来时间并在液晶屏上显示；若10 s内无脉冲电压输入，则程序停止，按下复归按键后进入下次检测等待。另外，计时启动回路也可由外部短接线启动，方便进行一些故障的手动控制模拟。

图3 设计模型图

2.1 硬件电路设计

图4 脉冲检测电路

图5 脉冲计时电路

图6 程序设计流程图

本文所提出的硬件电路包含两个主要模块：脉冲检测电路和计时电路。脉冲检测电路如图4所示，包括检测通道电路和指示通道电路。计时电路如图5所示，包括启动电路和指示电路。

其他电路还包括电源供电电路、清零复归电路和反接保护电路等。其中电源供电电路采用5 V低压直流电源供电，保证了用电安全；清零复归电路功能方便测试仪多次检验；反接保护电路采用了FR107二极管，反向击穿电压是1 000 V，考虑到跳闸脉冲最大输入电压不超过120 V，保证了脉冲反向输入情况下测试仪和人员的安全。本文中的检测电路采用了抗干扰设计，检测电压门槛值为50 V，电压低于50 V时电路三极管不会导通，因此可以滤除50 V以下的干扰电压。

2.2 软件程序设计

程序采用C语言编程，同时为滤除干扰电压，要求脉冲电压有效时间必须大于10 ms，否则视为干扰电压不予显示。程序流程如图6所示。

本文从硬件和软件两方面采用了抗干扰设计，保证了检验结果的准确性。

3 测试仪的应用效果

表1为对2013-2014年度清远供电局继保班所管辖部分变电站的主变进行验收和定检时主变跳闸矩阵的校验时间统计，其检验方法为采用万用表测量的方法。

为便于统计，规定主变三侧或两侧的跳闸逻辑种类数相等，实际出口压板数则电压等级高的取大值，电压等级低的取小值，中压侧取平均值。根据实际工作经验用万用表测量压板5个以上则有一个测量不准确，8个以上有两个。并且定义以下两个计算模型：

（1）跳闸矩阵的校验时间=保护逻辑种类数*单个逻辑平均校验时间；

（2）校验准确率=保护逻辑出口压板总数/实际校验出口压板总数。

部分变电站主变保护装置采用跳闸出口测试仪检验后，其统计结果如表2所示：

表1 万用表检验结果统计

表2 矩阵测试仪检验结果统计

将两种方法应用到变电站的检验结果进行对比，如图7所示。

图7 检验方法结果对比图

从上述图表中可以看出：采用测试仪对主变保护装置的跳闸矩阵进行校验后，校验准确率提高到100%，校验时间最低减少了73.9%，最高减少了91.9%，说明对于电压等级愈高的主变保护装置，或者保护逻辑愈多的保护装置，采用本文提出的测试仪方案校验跳闸逻辑出口，可以极大地提高工作效率，节省检验时间。

4 总结

本测试仪的创新在于功能可靠、设计简单、使用方便。采用单片机编程技术使跳闸出口压板的检验准确率大幅提升，电路设计采用了强弱电隔离的抗干扰设计，设计了8个压板接入通道，原来需2个人配合的试验工作现在一个人就可以完成，提高了工作效率，同时测试仪具有液晶显示功能，可以直观地显示检验结果并给出保护动作时间，是对保护装置动作时间的一个补充检验。除了主变保护装置的跳闸出口矩阵检验外，对于关联多个出口压板的保护逻辑校验，如母差保护、线路保护启动失灵等，本测试仪具有非常明显的实际使用效果。

［1］胡汉才.单片机原理及其接口技术［M］.北京：清华大学出版社，1996.

［2］华成英.模拟电子技术基础：第四版［M］.北京：高等教育出版社，2014.

［3］ONLLY-A系列用户手册［Z］.广州：广东昂立电气自动化有限公司，2011.